DE102022104037A1 - Umrichter zum Schutz einer Drehstrommaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungseinrichtung umfassend einen 3-Level-NPC-Umrichter (10) für eine permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet mit drei Umrichterklemmen (UK1, UK2, UK3) zum Anschluss der Phasen (U, V, W) für die Synchronmaschine, wobei in den drei Brückenzweigen (B1, B2, B3) des Umrichters (10) jeweils ein bidirektionaler Schalter (SU, N PC, SV, N PC, SW, N PC) zwischen der jeweiligen Umrichterklemme (UK1, UK2, UK3) dieses Brückenzweigs und dem Zwischenkreismittelpunkt (NP) angeordnet ist, der jeweils betreffend seines Schaltzustands so angesteuert werden kann, dass der jeweilige Schalter (SU, N PC, SV, N PC, SW, N PC) geschlossen werden kann, um das Potential, das am Zwischenkreismittelpunkt (NP) anliegt, an diejenige Umrichterklemme (UK1, UK2, UK3) zu brücken, in dessen Brückenzweig (B1, B2, B3) ein Fehler eines bestimmten Fehlertyps detektiert wurde. Des Weiteren umfasst diese Erfindung ein Verfahren, welches es möglich macht, einen an den Umrichterklemmen UK1, UK2 und UK3 angeschlossenen permanentmagneterregten Synchronmotor weiter stromgeregelt zu betrieben, wenn im Fehlerfall eine der Klemmen durch den zusätzlichen bidirektionalen Schalter auf das Spannungsniveau des Zwischenkreismittelpunkts (NP) gebrückt worden ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Umrichter zum Schutz einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, allgemein eines Elektromotors bzw. eines permanenterregten EC-Synchronmotors. Die Erfindung betrifft insofern auch den spezifischen Aufbau und die Ansteuerung einer Leistungselektronik, die für einen Fehler in der Leistungselektronik den Schutz von EC-Motoren (permanentmagneterregte Synchronmotoren, kurz PMSM) vor Entmagnetisierung sicherstellen soll und mit Vorteil sogar einen eingeschränkten Betrieb bei Vorliegen eines Einfachfehlers ermöglicht.
• Technischer Hintergrund
• Im Stand der Technik sind bereits Techniken zum Schutz der Elektromotoren, insbesondere zum Schutz der Entmagnetisierung oder Teilentmagnetisierung bekannt, die bei hohen Fehlerströmen auftreten können. Die Entmagnetisierung ist ein Vorgang, durch den ein Dauermagnet bzw. ein dauermagnetisch gewordenes ferromagnetisches Material seine magnetische Polarisierung ganz oder teilweise verliert. Ein Maß hierzu ist die Koerzitivfeldstärke. Diese Feldstärke ist die magnetische Feldstärke, welche nötig ist, um eine magnetisierte ferromagnetische Substanz vollständig zu entmagnetisieren, sodass der resultierende magnetische Gesamtfluss gleich null ist. Das bedeutet, je höher die Koerzitivfeldstärke eines Magneten, desto „besser“ behält dieser die Magnetisierung bei Einwirkung eines Gegenfeldes bei.
• Die vorliegende Erfindung befasst sich demnach mit dem Schutzkonzept der Permanentmagnete im Rotor im Falle eines sogenannten Einfachfehlers des Umrichters bzw. Inverters, womit insbesondere ein Kurzschluss oder eine Unterbrechung eines Bauteils im Leistungspfad des Umrichters betrachtet wird. Hier können aus verschiedenen Gründen Fehler im Umrichter auftreten. Solche Fehler können enorme Fehlerströme an einem angeschlossenen Verbraucher hervorrufen und können ein Vielfaches des Nennstromes betragen.
• Regelmäßig werden Umrichter in 2-Level-Topologie eingesetzt, welche keine Möglichkeit bieten angeschlossene Verbraucher, wie EC-Motoren (permanentmagneterregte Synchronmotoren) vor den entstehenden hohen Fehlerströmen zu schützen. Sind die Permanentmagnete einer PMSM teilweise oder vollständig entmagnetisiert worden, kann der Motor nicht den gleichen Arbeitspunkt erreichen, wie bei vollständig intakter Magnetisierung.
• Folglich können das Drehmoment und die Drehzahl vom fehlerfreien Normalbetrieb deutlich abweichen, mit der Folge, dass die Leistung signifikant abfällt. Ferner kommt es zu einem nachteiligen Laufverhalten des Motors und zu erhöhter Geräusch- und Vibrationsentwicklung, die zu weiteren Folgeschäden, wie Lagerschäden oder dergleichen führen können.
• Herkömmliche 2-Level-Umrichter bieten im Fehlerfall bislang keine direkte Möglichkeit angeschlossene elektrische Verbraucher vor hohen Strömen zu schützen. Eine Option den Motor zu schützen, war bisher die Verwendung stark überdimensionierter Synchronmaschinen, die anhand der voraussichtlichen maximal auftretenden Fehlerströme deutlich über dem Normalbetrieb dimensioniert werden. Die Überdimensionierung resultiert in einem deutlich höheren Materialeinsatz, größeren Bauraum und Einsatz zusätzlicher Rohstoffen, was den Preis solcher Produkte unnötig in die Höhe treibt. Zudem ist eine starke Überdimensionierung im Betrieb nicht gewünscht, d. h. weitere Probleme in Bezug auf die Ansteuerung, die Elektronik, den Wirkungsgrad etc. sind zu berücksichtigen.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, vorbesagte Nachteile zu überwinden und ein Betriebskonzept zu finden, bei dem ein Schutz vor Entmagnetisierung möglich ist und im Fehlerfall (zumindest bei einem Einfachfehler) ein stromgeregelter Betrieb weiterhin möglich ist.
• Im Stand der Technik ist zum Betrieb von Motoren die sogenannte neutral Point Clamped (NPC)-Topologie bekannt. Dies ist eine gängige Topologie mit drei (Spannungs-)Ebenen und wird häufig in Photovoltaik-Wechselrichtern mittlerer und hoher Leistung verwendet. Bei diesem dreistufigen NPC-Wechselrichter beträgt die Spannungsbelastung an jedem elektrischen Leistungsbauteil nur die Hälfte der Busspannung. Der Oberwellengehalt der Ausgangsspannung ist geringer als bei den Zweistufen-Wechselrichtern. Der NPC-Wechselrichter hat jedoch das Problem einer ungleichmäßigen Verlustleistungsverteilung über die Leistungsbauteile. Darüber hinaus gibt es die Active Neutral Point Clamped (ANPC) Drei-Ebenen-Topologie. Die ANPC-Topologie ersetzt die Klemmdioden in der NPC-Topologie durch aktive Schalter. Allerdings gestaltet sich die Fehlerdetektion und Fehlerlokalisierung schwieriger, was somit nachteilig ist. Zudem entsteht bei Normalbetrieb ein zusätzlicher Mehraufwand in der Umrichteransteuerung, was Anpassungen an bestehenden Software-Systemen bedeutet. Auch erhöht sich die Anzahl der eingesetzten aktiven Schalter bei der ANPC-Lösung.
• Zusätzlich besteht auch ein Bedarf danach, dass der Arbeitspunkt des angeschlossenen Verbrauchers berücksichtigt und nach Möglichkeit gehalten werden kann.
• Die vorgenannten Aufgaben und Ziele werden durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
• In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird hierzu eine Schaltungseinrichtung vorgeschlagen, umfassend einen 3-Level-NPC-Umrichter für eine permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet mit drei Umrichterklemmen zum Anschluss von drei Phasen (U, V, W), wobei in den drei Brückenzweigen des Umrichters jeweils ein bidirektionaler Schalter zwischen der jeweiligen Umrichterklemme dieses Brückenzweigs und dem Zwischenkreismittelpunkt angeordnet ist, der jeweils so angesteuert werden kann, dass der jeweilige Schalter geschlossen werden kann, um das Potential, das am Zwischenkreismittelpunkt anliegt, an diejenige Umrichterklemme (Motorphase) zu brücken, in dessen Brückenzweig ein Fehler, insbesondere ein Fehler eines bestimmten Fehlertyps detektiert wurde.
• Nach der Terminologie der vorliegenden Erfindung ist ein 3-Level-NPC-Umrichter ein solcher Umrichter, wie er dem Fachmann nach seinem prinzipiellen Aufbau bekannt ist. Bei einem 3-Level-Umrichter können drei verschiedene Spannungsniveaus an die Ausgangsklemme des Umrichters gelegt werden (statt wie beim 2-Level-Umrichter lediglich zwei Spannungsniveaus). Der Term NPC nimmt Bezug auf zwei zusätzliche Pfade im Umrichter, die auf den Neutral Point (NP) bzw. den neutralen Punkt (halbe ZK-Spannung) im Zwischenkreis führen.
• Diese zusätzlichen Pfade werden über zwei Dioden (NP-Dioden bzw. NPC-Dioden) realisiert, was auch als „passive neutral point clamped“ bezeichnet wird. Ein Kernaspekt des vorliegenden Topologieentwurfs, ist die Ergänzung des „passive neutral point clamped“ 3-Level-Inverters um die bidirektionalen Schalter pro Zweig mit der Möglichkeit die zugehörige Klemme auf die halbe ZK-Spannung (den „Neutral Point“, NP) zu ziehen.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können diese bidirektionalen Schalter als elektronische Leistungsschalter, Halbleiterschalter oder elektronische Schalter ausgeführt sein.
• Durch die zusätzlichen bidirektionalen Schalter in dem 3-Level-NPC-Umrichter wird es möglich die jeweilige Umrichterklemme und damit die zugehörige Motorphase auf die halbe Zwischenkreisspannung, den Neutralpunkt (NP), zu legen (hier wird auch von „klemmen“ bzw. englisch „clampen“ gesprochen). Dieses Klemmen bzw. Clampen oder Brücken erlaubt es den am Umrichter angeschlossenen Synchronmotor im Einfachfehlerfall mit einer angepassten Ansteuerung weiter mit einem für die Maschine erforderlichen Drehfeld zu betreiben. Dadurch wird der Verlust der Regelbarkeit bei einem Umrichterfehler umgangen und der Motor bleibt weiter regel- bzw. steuerbar (trotz Fehlers im Umrichter wie beispielsweise Kurzschluss oder Unterbrechung eines Bauteils im Leistungspfad). Kritische Stromstärken, die zur Entmagnetisierung führen können, werden somit erfindungsgemäß vermieden.
• Das prinzipielle Vorgehen bei einem auftretenden Fehler ist grundsätzlich in drei Phasen zu gliedern. Zunächst muss mittels einer geeigneten Fehlererkennungseinrichtung der Fehler detektiert werden, dann erfolgt eine Fehlerbewertung und abschließend wird der Fehler nach dem Konzept der Erfindung behandelt. Bei der Fehlerdetektion ist es allerdings wichtig, dass sobald ein Fehler auftritt dieser auch schnellstmöglich als ein solcher detektiert wird, um darauf reagieren zu können. Die Fehlerbewertung zielt darauf ab, den Fehler einzuordnen, d. h. welcher Fehler (z. B. Kurzschluss oder Unterbrechung) liegt bei welchem Bauteil vor.
• Mit Vorteil ist daher vorgesehen, dass ferner eine Fehlererkennungseinrichtung (vorzugsweise integriert in der Steuerung) vorgesehen ist, welche ausgebildet ist, einen Fehler eines bestimmten Fehlertyps in einem Brückenzweig des Umrichters zu erkennen. Insbesondere geht es darum den entsprechenden Fehlertyp (Kurzschluss oder Unterbrechung eines Bauteils) zu detektieren um daraufhin geeignete Gegenmaßnahmen ergreifen zu können.
• Dabei ist es aber aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung gerade nicht zwingend notwendig für jeden Fehler das betroffene Bauteil exakt zu lokalisieren. Es reicht stattdessen aus, die Fehler bzw. Fehlertypen an betroffenen Bauteilen zu unterscheiden, auf die unterschiedlich reagiert werden muss. Hier liegt nach dem Konzept der Erfindung grundsätzlich der Fokus darauf, den betroffenen Brückenzweig zu identifizieren. Ist der Brückenzweig detektiert und lokalisiert, wird die Motorphase bzw. die Umrichterklemme des betroffenen Brückenzweiges mit dem jeweils zusätzlichen Schalter in der Brücke auf NP geklemmt bzw. das Potential an NP auf die Umrichterklemme gebrückt.
• Die bidirektionalen Schalter können hierbei technisch verschieden umgesetzt werden. Erfindungsgemäß ist beispielsweise eine Umsetzung durch zwei IGBTs mit antiparalleler Diode möglich.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fehlererkennungseinrichtung zur Fehlererkennung einer Schalterunterbrechung eines aktiven Schalters zumindest die Stromform hernimmt und durch den Vergleich des aktuellen Stromoffsets der drei Phasen (U, V, W) und eines dynamisch bestimmten Strom-Offsetlimits die Fehlererkennung erfolgt.
• Weiter vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der die Fehlererkennungseinrichtung zur Fehlererkennung einer Unterbrechung einer im aktiven Schalter vorhandenen antiparallelen Diode durch eine negative Spannung über den betroffenen Schalter detektiert.
• Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft neben der Schaltung auch ein Verfahren zum Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine an einem 3-Level-NPC-Umrichter im Fehlerfall eines leistungselektronischen Bauteils. Mit einer wie zuvor beschriebenen Schaltungsanordnung wird im Fehlerfall diejenige Umrichterklemme, in deren Brückenzweig der Fehler aufgetreten ist, mit Hilfe des jeweiligen bidirektionalen Schalters auf das Spannungspotential des Zwischenkreismittelpunkts (NP) gebrückt bzw. geklemmt. Anders ausgedrückt, wird dies dadurch realisiert, dass der jeweilige bidirektionale Schalter geschlossen und das Spannungspotential des Zwischenkreismittelpunktes auf die Umrichterklemme „geclampt“ bzw. geklemmt wird. Dadurch kann die entsprechende Phase dann nicht mehr aktiv moduliert werden. Um den (geregelten) Motorbetrieb in einem solchen Fehlerfall aufrecht zu halten, werden die beiden verbleibenden Phasen entsprechend angesteuert und abweichend zum Normalbetrieb moduliert.
• Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
• Es zeigen:
• 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Umrichters nach dem Konzept der Erfindung;
• 2 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Umrichters nach dem Konzept der Erfindung;
• 3 ein Verfahrensablauf zum Betrieb eines permanenterregten Elektromotors nach der Idee der vorliegenden Erfindung bei einem Einfachfehler und,
• 4 ein Schaltungsprinzip zur Detektion einer negativen Spannung über einen der aktiven Schalter, welche genutzt werden kann um eine Unterbrechung der antiparallelen Diode zu detektieren.
• Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die 1 bis 4 anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf die gleichen funktionalen und/oder strukturellen Merkmale hinweisen.
• In der 1 findet sich ein erstes Ausführungsbeispiel eines Umrichters 10 nach dem Konzept der Erfindung. Dies ist eine erweiterte Schaltungstopologie eines 3-Level-NPC Umrichters mit zusätzlichen bidirektionalen Schaltern S_U, _{N PC}, S_V, _{N PC}, S_{W, N PC} für jede Umrichterklemme UK1, UK2, UK3 zum Zwischenkreismittelpunkt NP. An den Umrichterklemmen UK1, UK2, UK3 werden die drei Phasen U, V, W für eine Synchronmaschine bereitgestellt. U_ZK ist die Zwischenkreisspannung am Zwischenkreis. Der Punkt NP ist der sogenannte neutrale Punkt, bei halber Zwischenkreisspannung U_ZK die hälftig aufgeteilt an den beiden Zwischenkreiskondensatoren C_{_ZK}/2 anliegt.
• In dem Umrichter sind die folgenden aktiven Schalter in den Brückenzweigen B1, B2, B3 vorgesehen: S_U,1, S_U,2, S_U,3, S_U,4, S_V,1, S_V,2, S_V,3, S_V,4, S_W,1, S_W,2, S_W,3 und S_W,4. Ein Kurzschluss eines dieser aktiven Schalter wird über ein geeignetes Verfahren detektiert. Die Detektion kann über eine entsprechende Strom- und/ oder Spannungsmessung, mit Hilfe eines zusätzlichen externen Schaltungsblocks oder über die Schutzbeschaltung im Leistungselementetreiber erfolgen. Auch die Position im System dieser Erkennung ist beliebig, jedoch geeignet zu wählen, bspw. am gegenüberliegenden Schalter. Beispielsweise kann die DESAT-Erkennung des jeweiligen Schalter-Gatetreibers hierzu herangezogen werden. Der detektierte Kurzschluss des Schalters wird dann über den Treiber direkt an die zentrale Reicheneinheit (z. B. einen Mikrocontroller) übermittelt. So kann ein auftretender Schalterkurzschluss sofort und zuverlässig erkannt werden.
• In der 2 findet sich ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Umrichters 10 nach dem Konzept der Erfindung mit IGBTs als aktive Schalter S_U,1, S_U,2, S_U,3, S_U,4, S_V,1, S_V,2, S_V,3, S_V,4, S_W,1, S_W,2, S_W,3 und S_W,4. Um hier einen Fehler bei einer der jeweils antiparallelen Dioden D_U,1, D_U,2, D_U,3, D_U,4, D_V,1, D_V,2, D_V,3, D_V,4, D_W,1, D_W,2, D_W,3 und D_W,4 zu detektieren, kann folgenderma-ßen vorgegangen werden. Weist eine dieser antiparallelen Dioden z. B. einen Kurzschluss auf, wirkt sich dies wie ein Kurzschluss des zugehörigen aktiven Schalters aus. Dieser muss damit ebenfalls durch ein geeignetes Verfahren ermittelt werden z. B. mit Hilfe einer entsprechenden Strom- und/ oder Spannungsmessung, eines zusätzlichen externen Schaltungsblocks oder mittels treiberseitiger Schutzbeschaltungselemente. In ähnlicher Weise kann ein Fehler bei einer NPC-Diode D_U,5, D_U,6, D_V,5, D_V,6, D_W,5, D_W,6 detektiert werden. Im Kurzschlussfehlerfall einer dieser NPC-Dioden wäre es z. B. über die DESAT-Erkennung der zu der Diode parallel liegenden Schaltern möglich den auftretenden Fehler zu detektieren. Auch die Position im System dieser Erkennung ist beliebig, jedoch geeignet zu wählen, bspw. am gegenüberliegenden Schalter.
• Die Unterbrechung einer der aktiven Schalter S_U,1, S_U,2, S_U,3, S_U,4, S_V,1, S_V,2, S_V,3, S_V,4, S_W,1, S_W,2, S_W,3 und S_W,4 kann durch eine Überwachung der Strangströme mit Analyse der Stromform stattfinden bzw. auch mittels einer Fourieranalyse der Stromsignale. Des Weiteren besteht die Möglichkeit ein Monitoring der Ströme mit Vergleich auf Sinusform und Bewertung der Spitzen- und Effektivwerte durchzuführen. Alternativ kann zum Beispiel die Unterbrechungsdetektion der aktiven Schalter auch über eine Bewertung der vorhandenen Stromform (Verzerrung in bestimmten Muster) durch den Vergleich des aktuellen Stromoffsets der drei Phasen U, V, W und eines dynamisch bestimmten Strom-Offsetlimits erfolgen. Hierzu müssen die Soll- und Istwerte der drei Motorstränge gespeichert und bewertet werden. Aus den Istwerten wird der vorhandene Stromoffset bestimmt und mit einem dynamischen Strom-Offsetlimit aus den Sollwerten verglichen.
• Die Stromwerte werden dazu softwaretechnisch in einen Speicher (z. B. Ringspeicher) abgelegt, welcher in Winkelsektoren aufgeteilt ist. Soll-Stromwerte aus dem dq-System (Zeigersystem) werden dazu in die dreiphasigen Koordinaten umgerechnet. Die Wahl der Sektoren muss in angemessenen Winkelschritten erfolgen, sodass auch bei maximaler Drehzahl kein Sektor übersprungen wird. Zur Bewertung der Stromform wird bei jedem Wechsel des Winkelsektors die Differenz aus dem alten und neuen Wert für den jeweiligen Ist- und Soll-Stromwert gebildet. Eine Zählvariable k beschreibt den entsprechenden Abtastschritt. Somit ist ein Wert zum Zeitpunkt bzw. Durchlauf k der aktuelle Wert und ein Wert zum Zeitpunkt bzw. Durchlauf k - 1 der jeweils vergangene. $$i_{\mathrm{\Delta },ist}\left[k\right]=i_{ist}\left[k\right]-i_{ist}\left[k-1\right]$$

  

  $$i_{\mathrm{\Delta },soll}\left[k\right]=i_{soll}\left[k\right]-i_{soll}\left[k-1\right]$$

  
• Bei einem konstanten Sollwert im eingeschwungenen Zustand, sowie fehlerfreiem Umrichter inklusive Regelung sind diese Differenzen ideal betrachtet gleich null. Um bei diesem Vorgehen Sollwertänderungen in Form von Sprüngen oder Rampen nicht direkt als Fehler in der Stromform zu detektieren, wird aus beiden Differenzen wiederum eine Differenz gebildet und diese numerisch integriert. $$i_{\mathrm{\Delta },ges}\left[k\right]=i_{\mathrm{\Delta },ist}\left[k\right]-i_{\mathrm{\Delta },soll}\left[k\right]$$

  

  $${\displaystyle {\sum }_{i,\mathrm{\Delta },ges}\left[k\right]}={\displaystyle {\sum }_{i,\mathrm{\Delta },ges}\left[k-1\right]+i_{\mathrm{\Delta },ges}}\left[k\right]$$

  
• Um ein Wegdriften des Integrals bzw. der numerischen Näherung (Summe) zu vermeiden, wird bei Eintritt in einen neuen Sektor diese mit einem Skalierungsfaktor zwischen Null und Eins multipliziert. Die so bestimmte Summe wird mit einem Strom-Offsetlimit i_lim verglichen. Dieses Limit i_lim bestimmt sich aus dem gleitenden Mittelwert der Stromsollwerte i_soll.
• Auch hier kommt ein Skalierungsfaktor zwischen Null und Eins zum Einsatz. Vereinfacht betrachtet gilt ein hohes Limit bei hohem Strom und ein kleines Limit gilt bei niedrigem Strom.
• Bilden die oben bestimmten Offsets für die Phasen U, V und W zusammen mit dem dynamischen Strom-Offsetlimit ein bestimmtes Muster, kann auf einen Unterbrechungsfehler der Schalter geschlossen werden. Die Muster für die jeweiligen Schalter sind in der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1

  Fall	Phase U	Phase V	Phase W	Fehlerhafte Phase Zweig	Fehlerhafte Schalter
  #1	Σ i,Δges <-i lim	Σ iΔ,ges > 0	Σ i,Δges > 0	U	Schalter „oben“: S U,1 oder S U,2
  #2	Σ i,Δ,ges > 0	Σ i,Δ,ges <-i i	Σ i,Δ,ges > 0	V	Schalter „oben“: S V,1 oder S V,2
  #3	Σ iΔ,ges > 0	Σ i,Δ,ges > 0	Σ i,Δ,ges < -i lim	W	Schalter „oben“: S W,1 oder S W, 2
  #4	Σ i,Δ,ges > i lim	Σ iΔ,ges < 0	Σ i,Δges < 0	U	Schalter „unten“: S U,3 oder S U,4
  #5	Σ iΔ,ges <0	Σ i,Δ,ges > ilim	Σ iΔ,ges <0	V	Schalter „unten“: S V,3 oder S V,4
  #6	Σ iΔges < 0	Σ ii,Δ,ges < 0	Σ iΔ,ges > i lim	W	Schalter „unten“: S W,3 oder S W,4

• Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Wird z. B. in einer Phase das Offsetlimit in positiver Richtung überschritten und liegt in den beiden anderen Phasen zum gleichen Zeitpunkt ein negativer Offset vor, ist einer der beiden „unteren“ aktiven Schalter in der erstgenannten Phase unterbrochen. Wird andererseits in einer Phase das Offsetlimit in negativer Richtung überschritten und in den beiden anderen Phasen liegt zum gleichen Zeitpunkt ein positiver Offset vor, ist einer der beiden „oberen“ aktiven Schalter in der erstgenannten Phase unterbrochen.
• Eine Unterbrechung einer antiparallelen Diode kann durch verschiedene Maßnahmen detektiert werden. Die 4 zeigt ein beispielhaftes Schaltungsprinzip zur Detektion einer negativen Spannung über einen der aktiven Schalter, welches genutzt werden kann um eine Unterbrechung der antiparallelen Diode zu detektieren. Die Bezeichnungen sind wie folgt: R = Widerstand, D = Diode, U fault = Spannung digitales Ausgangssignal, C = Kondensator, S = Schalter und Q = Operationsverstärker (OP, OPV oder OV)/ Komparator. Beispielsweise ist es möglich die im Unterbrechungsfehlerfall auftretende negative Spannung über dem Schalter zu detektieren. Hier kann z. B. eine Analogsignalschaltung zur Auswertung der Spannung eingesetzt werden oder auch eine ausreichend schnelle Messung über ADCs sowie äquivalente alternative Möglichkeiten. Beispielsweise ist auch eine digitale Auswertung mittels einer anderen als die gezeigte OP-/ OPV-/ OV-Schaltung möglich.

Claims (8)

1. Schaltungseinrichtung umfassend einen 3-Level-NPC-Umrichter (10) für eine permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet mit drei Umrichterklemmen (UK1, UK2, UK3) zum Anschluss der Phasen (U, V, W) für die Synchronmaschine, wobei in den drei Brückenzweigen (B1, B2, B3) des Umrichters (10) jeweils ein bidirektionaler Schalter (S_{U, N PC}, S_{V, N PC}, S_{W, N PC}) zwischen der jeweiligen Umrichterklemme (UK1, UK2, UK3) dieses Brückenzweigs und dem Zwischenkreismittelpunkt (NP) angeordnet ist, der jeweils betreffend seines Schaltzustands so angesteuert werden kann, dass der jeweilige Schalter (S_{U, N PC}, S_{V, N PC}, S_{W, N PC}) geschlossen werden kann, um das Potential, das am Zwischenkreismittelpunkt (NP) anliegt, an diejenige Umrichterklemme (UK1, UK2, UK3) zu brücken, in dessen Brückenzweig (B1, B2, B3) ein Fehler eines bestimmten Fehlertyps detektiert wurde.
2. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Fehlererkennungseinrichtung vorgesehen ist, welche ausgebildet ist einen Fehler eines bestimmten Fehlertyps in einem Brückenzweig (B1, B2, B3) des Umrichters (10) zu erkennen, insbesondere eines Unterbrechungsfehler, Kurzschlusses oder die Detektion eines einen Fehlerstrom auslösenden Fehlers.
3. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bidirektionalen Schalter (S_{U, N PC}, S_{V, N PC}, S_{W, N PC}) elektronische Leistungsschalter, Halbleiterschalter oder elektronische Schalter darstellen.
4. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bidirektionalen Schalter aus jeweils einem IGBT und einer antiparallelen Diode gebildet sind.
5. Schaltungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Gatetreibern der aktiven Schaltern der Brückenzweige vorhandenen Überwachungsfunktionenzur Erkennung, Unterscheidung und Lokalisierung eines Bauteilfehlers genutzt werden und diese Überwachungsfunktionen konkret zur Überwachung des Stroms durch den Schalter und/ oder der Spannung über den Schalter dienen.
6. Schaltungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlererkennungseinrichtung zur Fehlererkennung einer Schalterunterbrechung eines aktiven Schalters zumindest die Stromform nutzt und durch den Vergleich des aktuellen Stromoffsets der drei Phasen (U, V, W) und eines dynamisch bestimmten Strom-Offsetlimits erfolgt.
7. Schaltungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlererkennungseinrichtung zur Fehlererkennung einer Unterbrechung einer im Schalter (S_{U, N PC}, S_{V, N PC}, S_{W, N PC}) vorhandenen antiparallelen Diode durch eine negative Spannung über den Schalter detektiert.
8. Verfahren zum Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine an einem 3-Level-NPC-Umrichter (10) mit einer Schaltungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei nach einer Fehlererkennung, diejenige Umrichterklemme (UK1, UK2, UK3) in deren Brückenzweig (B1, B2, B3) der Fehler aufgetreten ist, über den jeweiligen bidirektionalen Schalter (S_{U, N PC}, S_{V, N PC}, S_{W, N PC}) auf das Potential des Zwischenkreismittelpunktes (NP) gezogen wird.

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